CN100380754C - 半导体激光器装置 - Google Patents

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Abstract

一种半导体激光器装置，包括一个半导体激光器元件(1，21)或多个并列装配的具有多个出光面(2，3，4，5，22，23，24)的单个激光器，由出光面中可以发出激光射线，该激光射线在一个第一方向(Y)上具有比在与其垂直的第二方向上更大的发散度；以及至少一个与出光面(2，3，4，5，22，23，24)间隔地设置在半导体激光器元件(1)或单个激光器外部的具有至少一个反射面(8，10，11，12，13，17，18，19，20，29，30，31)的反射装置(7，9，16，16’，28)，该反射面可以将至少一部分由半导体激光器元件(1，21)或单个激光器通过出光面(2，3，4，5，22，23，24)发出的激光射线这样反射回半导体激光器(1，21)或单个激光器中，使得由此影响半导体激光器(1，21)或单个激光器的波模光谱，其中所述反射装置(7，9，16，16’，28)的至少一个反射面(8，10，11，12，13，17，18，19，20，29，30，31)凹下地弯曲。

Description

半导体激光器装置
本发明涉及一种半导体激光器装置，它包括一个半导体激光器元件或多个并列装配的具有多个出光面的单个激光器，由出光面中可以发出激光射线，该激光射线在一个第一方向具有比在与其垂直的第二方向更大的发散度，该装置还包括至少一个与出光面间隔地设置在半导体激光器元件或单个激光器外部的具有至少一个反射面的反射装置，该反射面可以将至少一部分由半导体激光器元件或单个激光器通过出光面发出的激光这样反射回半导体激光器或单个激光器中，使得由此影响到半导体激光器或单个激光器的波模光谱(Modenspectrum)。
由I.Nelson，B.Chann，T.G.Walker，Opt.Lett.25，1352(2000)已知一种上述形式的半导体激光器装置。在其中所述的半导体激光器装置中使用一个外部谐振器，它使用一个光栅作为反射装置。此外一个快轴准直镜(Fast-Axis-Kollimationslinse)位于直接连接在半导体激光器元件上的外部谐振器中。在快轴准直镜与光栅之间设置两个作为望远镜的透镜。已经证实在这种半导体激光器装置中有缺陷的是，一方面由于多个光元件在外部谐振器内产生相对较高的损耗，由此降低了半导体激光器装置的输出功率。另一方面，通过由现有技术已知的半导体激光器装置只能接收半导体激光器元件的纵向波模或者说影响半导体激光器元件的各发射器。通过由现有技术已知的结构不能够影响所述半导体激光器装置的横向波模光谱。由于这个原因这种由现有技术已知的半导体激光器装置的每个发射器具有多个不同的横向波模，它们都对由半导体激光器装置发出的激光做出贡献。由于这个事实由按照现有技术的半导体激光器装置发出的激光难以聚焦。
按照现有技术还尝试通过对半导体激光器元件的有效区进行构造从而影响半导体激光器元件的波模光谱。这种构造可以包括例如在不同的方向上改变折射率，由此通过在不同方向上变化的折射率优先传播各优选的横向激光波模。此外例如可以通过不同的掺杂率来影响用于进行再次结合的电极空穴对数量的方法，由此在有效区的不同位置实现不同强度的激光。上述两种优选各横向波模的方法需要可观的加工费用并且同样不能得到真正令人满意的半导体激光器装置射线质量以及输出功率。
因此本发明要解决的问题是实现一个上述形式的半导体激光器装置，它以改进的射线质量具有一个高的输出功率。
按照本发明这个目的由此实现：所述反射装置的至少一个反射面凹下地弯曲。
通过这种方法与上述现有技术相比可以省去外部谐振器内的附加透镜，因为所述凹下弯曲的反射面可以同时作为成像元件。通过反射面的凹下曲率尤其可以省去半导体激光器元件的相当费事的构造。
此外至少一个反射面可以使相应的激光射线的部分射线这样反射回各出光面，使这些出光面作为孔径。通过这个措施可以通过最简单的装置影响半导体激光器元件的波模光谱。
与现有技术一样，所述半导体激光器装置可以包括一个设置在反射装置与半导体激光器元件或单个元件之间的透镜装置，它至少可以在第一方向上至少部分地减小激光射线的发散度。因此这种透镜装置用来作为快轴准直镜
按照本发明存在这种可能，使所述反射装置具有一个反射面，在其上可以反射从不同的出光面发出的部分射线。作为替代，也可以选择使所述反射装置具有多个反射面，它们可以分别反射从各出光面发出的分射线。
按照本发明的一个优选实施例，所述半导体激光器装置包括一个射线变换单元，它尤其实现为射线旋转单元，并且最好可以分别单独旋转分射线，尤其是旋转90°。通过一个这样的射线变换单元可以使从半导体激光器装置发出的激光射线这样变换，使得它可以接着更易于聚焦。
按照本发明的一个优选实施例，所述射线变换单元设置在反射装置与半导体激光器元件或单个激光器之间，尤其设置在反射装置与透镜装置之间。通过所述射线变换单元在外部谐振器内的这种布置可以提供更多的空间用于耦出。
此外所述半导体激光器装置可以包括一个倍频元件，它设置在反射装置与半导体激光器元件或单个激光器之间，尤其设置在反射装置与透镜装置之间。在此尤其是第二谐波可以至少部分地从半导体激光器装置中耦出，并且用于影响波模光谱的基波波长至少部分地反射回半导体激光器元件或单个激光器中。
此外按照本发明存在这种可能，所述半导体激光器元件只在对应于一个所期望的激光射线波模的空间延伸的局部区域内施加电压或者电流，用于产生电极空穴对。通过这个可以相对简单实现的措施可以进一步优化所期望的激光射线波模。
本发明的其它特征和优点借助于下面结合附图对优选实施例的描述给出。附图中：
图1以示意俯视图示出一个按照本发明的半导体激光器装置的第一实施例；
图2以示意俯视图示出一个按照本发明的半导体激光器装置的第二实施例；
图3以示意俯视图示出一个按照本发明的半导体激光器装置的第三实施例；
图4以示意俯视图示出一个按照本发明的半导体激光器装置的第四实施例。
在图1中所示的一个按照本发明的半导体激光器装置的实施例包括一个半导体激光器元件1，它具有多个出光面2，3，4，5，从出光面可以发出激光射线。所述半导体激光器元件1由宽带发射器阵列或由所谓的激光器二极管阵列构成。在所示实施例中只示出四个用于光发射的相互独立的出光面2，3，4，5。但是也可以具有更多的并列且相互间隔设置的出光面。
由每个出光面2，3，4，5发出的激光射线分别分裂成两束分射线2a，2b；3a，3b；4a，4b；5a，5b，它们分别与出光面2，3，4，5的法线形成一个相互反向的相同角度。两个分别相关的分射线2a，2b；3a，3b；4a，4b；5a，5b分别代表由对应于相应出光面2，3，4，5发射的半导体激光器元件1的局部区域发出的激光波模。
如同由图1可以看到的那样，一个按照本发明的半导体激光器装置还在半导体激光器元件1的外部包括一个透镜装置6，它构成快轴准直镜。该快速在所示的笛卡尔坐标系中对应于Y方向。该快轴在这种宽带发射层中是垂直于各发射器相邻设置的方向的方向。这种半导体激光器元件1在快轴中的发散度远大于在与其垂直的慢轴中的发散度，该慢轴在图1中对应于X方向。
在所述透镜装置6的后面，在与半导体激光器元件1适当的距离处设置一个反射装置7，它具有一个面对半导体激光器元件1的反射面8。从反射面8使分射线2a，3a，4a，5a反射回出光面2，3，4，5的方向。所述出光面2，3，4，5可以配有一个减反射的涂层，由此使反射回来的分射线2a，3a，4a，5a可以至少部分地这样进入半导体激光器元件1，使得由此影响半导体激光器元件1的波模光谱。尤其是可以根据反射装置7相对于出光面2，3，4，5的取向、焦距和距离，在半导体激光器元件1中优先传播特定的波模。在一个按照本发明的半导体激光器装置的在图1中所示的实施例中，通常不使所有对应于各出光面2，3，4，5的激光发射器在相同的波模上振荡，因为所述分射线2a，3a，4a，5a从出光面2，3，4，5中发出的角度是不同的。
可以这样选择所述反射面8与出光面2，3，4，5的距离，使它基本对应于反射面8的焦距。尤其是可以通过相应选择距离或焦距使射线腰(Strahltaille)在出光面2，3，4，5上基本对应于其相应的宽度。
按照图1从半导体激光器装置的耦出可以通过分射线2b，3b，4b，5b实现。例如可以在图1中在反射装置7的下部接入另一局部反射的反射装置，它用于耦出。附加地或者作为替代，也可以选择在分射线2b，3b，4b，5b的射线光程中安置一个射线变换单元，它使耦出的分射线易于进一步处理。
在图2所示的一个按照本发明的半导体激光器装置的实施例中，相同的部件具有相同的附图标记。在图2中示出分射线2c，3c，4c，5c，它们对应于半导体激光器元件1的各发射器的横向波模，它基本平行于出光面2，3，4，5的法线，即基本在按照笛卡尔坐标系中的Z方向从半导体激光器元件1中发出。在图2中给出的反射装置9不仅具有一个反射面，而且具有多个反射面10，11，12，13。因此对每个分射线2c，3c，4c，5c设置一个反射面10，11，12，13，由此在这个实施例中，每个对应于出光面2，3，4，5的半导体激光器元件1的发射器可以以相同的横向或纵向波模来工作。
为了优选出一个唯一的纵向波模，在图2中用虚线示出一个波长选择元件14，它例如可以由标准具构成。通过该波长选择元件14能够选择特定的纵向波模、尤其是使所发出的激光射线具有一个小的光谱宽度的纵向波模。
从半导体激光器装置中的耦出可以通过将反射装置9设计为部分反射来实现，使得可以在正的Z方向上从反射装置9中发出激光射线。作为替代，也可以选择使所述半导体激光器元件背离由反射装置9构成的外部谐振器的一侧可以局部地减反射或者非高反射，由此可以在图2中的半导体激光器元件的左侧上使激光射线在负的Z方向上发出。
按照另一可选方案，可以在图2中的半导体激光器元件1的左侧设置另一与反射装置9相同的反射装置，它可以使从半导体激光器元件1在负的Z方向上发出的激光射线反射回半导体激光器元件1中。在这种情况下外部谐振器由两个反射装置9构成，其反射面相互面对。一个反射装置9在此可以设计为部分反射，由此可以使激光射线部分地为了耦出而穿过这个反射装置。
在图2中在反射装置的右侧还用虚线示出一个射线变换单元15，它在激光在正的Z方向上从反射装置9发出时可以变换射线。射线变换单元例如可以是一个射线旋转单元，它可以将每个分射线2c，3c，4c，5c单独旋转例如90°。通过这种射线变换改进了所发出的激光射线的聚焦性。按照本发明也可以在按照图1的实施例中使用这种射线变换单元。
按照图3的半导体激光器装置与在图2中所示的半导体激光器装置的主要不同之处在于优选出对应于图1以与法线成一个角度从出光面2，3，4，5发出的波模。在按照图3的半导体激光器装置中设置的反射装置16还具有多个反射面17，18，19，20。在以实线示出的反射装置16的实施例中，这个反射装置基本平行于X方向取向，由此使各分射线2a，3a，4a，5a在出光面2，3，4，5与反射面17，18，19，20之间的光程是相同的。作为替代，也可以设置一个反射装置16’，它在图3中用虚线示出，并可以与反射装置16在同一位置安装在半导体激光器装置中。对于这种基本垂直于分射线2a，3a，4a，5a的传播方向取向的反射装置16’，所述分射线2a，3a，4a，5a在出光面2，3，4，5与反射装置16’之间的光程是不同的。
在反射装置16中，各反射面17，18，19，20相对于Z轴倾斜。而在反射装置16’中不是这样。但是在这个反射装置中可以要求反射面的曲率半径分别不同地构成。
在图3中同样示出一个射线变换单元15，它设置在要被耦出的射线2b，3b，4b，5b中。穿过这个射线变换单元15的激光射线例如可以通过另一聚焦装置聚焦到一个光纤的端部上。
按照本发明也可以在按照图1和图3的实施例中设置一个波长选择元件。这一点在按照图1的不同倾斜的分射线中可能需要一个弯曲的标准具，用于分别选择相同的波长。
按照本发明，还可以在外部谐振器中，即在各反射装置7，9，16，16’与半导体激光器元件1之间，尤其是在透镜装置6与反射装置7，9，16，16’之间设置一个射线变换单元。这种布置带来的优点是，由此可以提供更多的用于耦出的空间。
一个例如由射线旋转单元构成的射线变换单元使各发射器的发射旋转90°。在这样旋转后所述分射线2a，3a，4a，5a以相对于X-Z平面相同的角度向上延伸，而分射线2b，3b，4b，5b以相反方向的相同角度向下延伸。一个唯一的圆柱镜面适用于慢轴准直。如果要使用球形镜面，在这种情况下对于慢轴准直还需要一个镜面阵列。
如果使用一个发射器阵列堆，则可以在一个具有射线旋转单元的结构中使用一个由圆柱镜面构成的单维阵列用于慢轴准直。
按照本发明还可以在外部谐振器中安置一个倍频元件，例如一个倍频晶体。例如可以将这个元件安置在图2中的透镜装置6与反射装置9之间。在这种情况下所述反射面10，11，12，13对于基波波长是高反射的，而对于第二谐波的波长是透射的。在此所述透镜装置6可以这样构成，使得不阻碍基波波长穿过，而反射第二谐波，由此使第二谐波不耦回到半导体激光器元件1中。
按照本发明也可以使用一个发射器阵列堆作为半导体激光器元件1。在这种情况下可以使用例如一个球形镜面或圆柱镜面的两维阵列或者圆柱镜面的单维阵列。在此可以对应于图1的实施例确定所述距离和焦距。
代替一个由激光二极管阵列构成的半导体激光器元件1，也可以使用多个独立的并列装配的单个激光器。它们可以作为单波模激光器工作并单独控制。这种形式的多个单个激光器尤其适用于医疗技术领域。
由图4可以看到一个半导体激光器元件21，它由激光二极管阵列构成。该半导体激光器元件21具有多个出光面22，23，24，由这些出光面可以发出激光射线25，26，27。此外在按照图4的实施例中具有一个反射装置28，它具有多个相邻设置的反射面29，30，31，它们例如与图2的反射面10，11，12，13一样地构成。与按照图2的实施例一样，由反射面29，30，31使激光射线25，26，27的相应分量通过相应的出光面22，23，24反射回半导体激光器元件21中。在图4中所示的激光射线的选出波模中，由每个反射面29，30，31使各激光射线25，26，27的分射线这样反射回半导体激光器元件21中，使它们以与法线成一个角度反射到半导体激光器元件的相对设置的端面32上，由此使它们在这次反射后从相邻的出光面22，23，24中发出。通过这种方法可以实现在整个半导体激光器元件21中基本构成一个唯一的激光射线波模。
例如可以规定，使各出光面与例如图4中的中间出光面23一样设置有高反射的涂层33，由此从这个出光面23不会有光射线从半导体激光器元件中发出。所述光射线在这种情况下反射到这个出光面并在继续反射到相对设置的端面32上之后通过相邻的出光面22，24从半导体激光器元件21中射出。
在按照图4的实施例中可以规定，只有半导体激光器元件21的特定局部区域34设置有电极，由此只对这些局部区域34施加电压并由此只在这些部位34输入电流，用于产生电极空穴对。在图4中还示出局部区域35，它们不设置电极，因此也不能施加电压。通过这种结构优化了一个或多个优选的波模结构。也可以在反射装置28与半导体激光器元件21之间设置一个在图4中未示出的透镜装置。

Claims (16)

1.一种半导体激光器装置，包括
-一个半导体激光器元件(1，21)或多个并列装配的具有多个出光面(2，3，4，5，22，23，24)的单个激光器，由出光面中发出激光射线，该激光射线在一个第一方向(Y)上具有比在与其垂直的第二方向上更大的发散度；以及
至少一个与出光面(2，3，4，5，22，23，24)间隔地设置在半导体激光器元件(1)或单个激光器外部的具有多个反射面(8，10，11，12，13，17，18，19，20，29，30，31)的反射装置(7，9，16，16’，28)，该反射面将至少一部分由半导体激光器元件(1，21)或单个激光器通过出光面(2，3，4，5，22，23，24)发出的激光射线反射回半导体激光器(1，21)或单个激光器中，使得由此影响半导体激光器(1，21)或单个激光器的波模光谱，其中所述反射装置(7，9，16，16’，28)的反射面(8，10，11，12，13，17，18，19，20，29，30，31)向下凹入，其特征在于，所述反射装置(9，16，16’，28)的多个反射面(10，11，12，13，17，18，19，20，29，30，31)中的每一个反射面分别反射从各出光面(2，3，4，5，22，23，24)中对应于该反射面的一个出光面发出的分射线(2a，2c；3a，3c；4a，4c；5a，5c)。
2.如权利要求1所述的半导体激光器装置，其特征在于，所述反射面(8，10，11，12，13，17，18，19，20，29，30，31)通过以下方式将激光射线的分射线反射回出光面(2，3，4，5，22，23，24)中：使出光面作为孔径。
3.如权利要求1或2所述的半导体激光器装置，其特征在于，所述半导体激光器装置包括一个设置在反射装置(7，9，16，16’，28)与半导体激光器元件(1，21)或单个激光器之间的透镜装置(6)，它至少在第一方向(Y)上至少部分地使激光射线的发散度减小。
4.如权利要求1所述的半导体激光器装置，其特征在于，所述反射面将照射到反射面上的光线全部反射。
5.如权利要求1所述的半导体激光器装置，其特征在于，所述半导体激光器装置包括一个射线变换单元(15)。
6.如权利要求3所述的半导体激光器装置，其特征在于，所述半导体激光器装置包括一个射线变换单元(15)。
7.如权利要求5或6所述的半导体激光器装置，其特征在于，所述射线变换单元(15)由射线旋转单元构成。
8.如权利要求7所述的半导体激光器装置，其特征在于，所述射线旋转单元分别使各分射线(2a，2b，2c；3a，3b，3c；4a，4b，4c；5a，5b，5c)旋转。
9.如权利要求8所述的半导体激光器装置，其特征在于，所述射线旋转单元分别使各分射线旋转约90°。
10.如权利要求5所述的半导体激光器装置，其特征在于，所述射线变换单元(15)设置在反射装置(7，9，16，16’，28)与半导体激光器元件(1，21)或单个激光器之间。
11.如权利要求6所述的半导体激光器装置，其特征在于，所述射线变换单元(15)设置在反射装置(7，9，16，16’，28)与半导体激光器元件(1，21)或单个激光器之间。
12.如权利要求11所述的半导体激光器装置，其特征在于，所述射线变换单元(15)设置在反射装置(7，9，16，16’)与透镜装置(6)之间。
13.如权利要求1所述的半导体激光器装置，其特征在于，所述半导体激光器装置还包括一个倍频元件，它设置在反射装置(7，9，16，16’，28)与半导体激光器元件(1，21)或单个激光器之间。
14.如权利要求3所述的半导体激光器装置，其特征在于，所述半导体激光器装置还包括一个倍频元件，它设置在反射装置(7，9，16，16’，28)与半导体激光器元件(1，21)或单个激光器之间。
15.如权利要求14所述的半导体激光器装置，其特征在于，所述倍频元件设置在反射装置(7，9，16，16’，28)与透镜装置(6)之间。
16.如权利要求1所述的半导体激光器装置，其特征在于，所述半导体激光器元件(21)只在对应于所期望的激光射线波模的空间延伸的局部区域(34)内施加电压或提供电流，用于产生电极空穴对。
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